多級(jí)離心泵機(jī)組振動(dòng)超標(biāo)分析及對(duì)策研究

陳國(guó)龍

中石化石油工程設(shè)計(jì)有限公司，山東東營(yíng) 257026

某國(guó)外工程項(xiàng)目注水泵為多級(jí)高壓離心泵，共4臺(tái)（3用1備），主要執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)為國(guó)際通用離心泵標(biāo)準(zhǔn)API 610。每臺(tái)泵的技術(shù)參數(shù)完全一樣，其設(shè)計(jì)點(diǎn)參數(shù)為：流量55 m3/h，入口壓力5.2 bar（1 bar=0.1 MPa），出口壓力 299 bar，泵轉(zhuǎn)速5 900 r/min，共10級(jí)葉輪。該注水泵為BB5泵型，為徑向剖分的雙層殼體結(jié)構(gòu)，內(nèi)層泵殼體采用鑄鋼，外層泵殼體采用鍛鋼。該項(xiàng)目在現(xiàn)場(chǎng)試車時(shí)，注水泵出現(xiàn)泵本體振動(dòng)嚴(yán)重超標(biāo)現(xiàn)象，進(jìn)出口管道出現(xiàn)明顯晃動(dòng)的現(xiàn)象。

離心泵振動(dòng)超標(biāo)可能導(dǎo)致轉(zhuǎn)子與定子相互摩擦甚至咬死，損壞轉(zhuǎn)子、定子或軸承等零部件，離心泵因此無(wú)法正常工作；也可能導(dǎo)致軸封失效，發(fā)生泵送介質(zhì)泄漏，污染環(huán)境；還可能造成與泵連接的管件、閥門、基礎(chǔ)振動(dòng)，致使緊固件松動(dòng)甚至損壞，對(duì)操作人員和周邊環(huán)境造成次生危害。據(jù)行業(yè)統(tǒng)計(jì)，振動(dòng)超標(biāo)是離心泵軸封泄漏、零部件損壞及故障停機(jī)的一個(gè)重要原因。離心泵是石油、石化行業(yè)工藝流程中重要的介質(zhì)輸送設(shè)備，對(duì)企業(yè)的安全生產(chǎn)有重要影響，因此離心泵出現(xiàn)振動(dòng)超標(biāo)后必須及時(shí)分析原因[1]，提出整改措施，以確保問(wèn)題得到及時(shí)解決。

1 振動(dòng)原因分析

振動(dòng)是衡量離心泵機(jī)組的一項(xiàng)非常重要參數(shù)[2-3]。離心泵振動(dòng)超標(biāo)的原因主要有泵的結(jié)構(gòu)缺陷和安裝、操作運(yùn)行不合理。泵的結(jié)構(gòu)缺陷應(yīng)從設(shè)計(jì)、制造兩方面進(jìn)行分析；安裝、操作運(yùn)行不合理應(yīng)從現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際安裝、配管布置、操作維護(hù)等多方面進(jìn)行分析，從而發(fā)現(xiàn)引起泵機(jī)組振動(dòng)超標(biāo)的真正原因，提出解決措施。

1.1 泵本身結(jié)構(gòu)缺陷

（1）軸剛度問(wèn)題。高壓離心泵通常是葉輪級(jí)數(shù)多、泵軸長(zhǎng)。如果泵軸剛度不夠，轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)撓度會(huì)偏大，轉(zhuǎn)子和定子零部件可能發(fā)生磨擦，甚至導(dǎo)致抱軸、軸封失效、軸承損壞等。多級(jí)離心泵截面如圖1所示。

圖1 多級(jí)離心泵截面示意

（2）轉(zhuǎn)子不平衡問(wèn)題。離心泵轉(zhuǎn)子的質(zhì)心如果不在回轉(zhuǎn)軸線上，轉(zhuǎn)子就不平衡[1]，在轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中，不平衡質(zhì)量就會(huì)產(chǎn)生周期性離心力，該離心力作用在離心泵的軸承上，會(huì)引起軸承振動(dòng)，甚至直接損壞軸承。

1.2 流體作用引起的振動(dòng)

從圖2所示的離心泵特性曲線可以發(fā)現(xiàn)：在設(shè)計(jì)點(diǎn)（最佳效率點(diǎn)）附近，離心泵的振動(dòng)值最?。浑S著流量的增加或減少（偏離設(shè)計(jì)點(diǎn)），泵的振動(dòng)值都會(huì)變大。這是因?yàn)楫?dāng)運(yùn)行點(diǎn)偏離設(shè)計(jì)點(diǎn)工況時(shí)，介質(zhì)速度的方向和大小均會(huì)變化，介質(zhì)的入口沖角與轉(zhuǎn)子葉片的安裝角產(chǎn)生偏差，介質(zhì)就會(huì)沖擊葉片，形成作用于葉輪的沖擊力，而因?yàn)樽饔糜谌~輪四周沖擊力的大小和方向不同，便會(huì)產(chǎn)生偏心振動(dòng)。

當(dāng)離心泵流量減小時(shí)，泵的揚(yáng)程增加，軸向力也隨之增大，平衡盤不能完全平衡掉新產(chǎn)生的軸向力，這樣就會(huì)形成一個(gè)指向泵入口的軸向力，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子向泵入口方向竄動(dòng)，這樣就磨損甚至磨壞平衡盤、止推軸承等零部件。零部件磨損、流體流場(chǎng)紊亂等原因產(chǎn)生的熱量使原溶解在泵送介質(zhì)中的氣體析出，可能使泵腔內(nèi)部分介質(zhì)汽化，并產(chǎn)生異常振動(dòng)和噪聲等現(xiàn)象，導(dǎo)致泵無(wú)法穩(wěn)定運(yùn)行。

圖2 離心泵特性曲線[2]

1.3 氣蝕

離心泵在運(yùn)行期間，因某種原因泵腔內(nèi)局部壓力降低到流體的汽化壓力時(shí)，就會(huì)從液體中析出氣泡，氣泡隨著液體一起流到高壓區(qū)后會(huì)因高壓液體的擠壓而潰滅，氣泡內(nèi)的氣體重新凝結(jié)并會(huì)出現(xiàn)較高的水錘壓力，使與介質(zhì)接觸的零部件表面遭受侵蝕和破壞，該情況稱為離心泵的氣蝕[4]。

氣蝕發(fā)生時(shí)，離心泵流道內(nèi)會(huì)有“噼噼啪啪”的響聲。響聲在泵首級(jí)葉輪處會(huì)比較顯著，同時(shí)有較強(qiáng)的振動(dòng)產(chǎn)生。這種現(xiàn)象進(jìn)一步發(fā)展會(huì)造成過(guò)流部件剝蝕及腐蝕破壞、密封損壞等，同時(shí)泵的揚(yáng)程、流量突然下降，效率降低，最終會(huì)導(dǎo)致離心泵出口處的壓力值降到零，流量值也降到零，從而喪失輸送介質(zhì)的功能。

氣蝕是由泵、吸入裝置和輸送介質(zhì)等多方面因素共同決定的。為了保證離心泵不出現(xiàn)氣蝕，泵進(jìn)口法蘭處介質(zhì)的能頭不僅要高出介質(zhì)的汽化壓力，還須有足夠的富余量，即氣蝕余量。工程上，主要關(guān)心的氣蝕余量是必需氣蝕余量NPSHr和有效氣蝕余量NPSHa。必需氣蝕余量是指介質(zhì)從泵入口到首級(jí)葉輪壓力最低點(diǎn)的全部能頭損失，是由離心泵結(jié)構(gòu)本身決定的；有效氣蝕余量是指泵入口介質(zhì)所具有的介質(zhì)汽化壓力的那部分能頭，是由吸入裝置的安裝方式、操作條件等決定的，隨著吸入裝置條件的改變而改變。判別離心泵氣蝕的條件如下[4]：NPSHa＞NPSHr時(shí)，離心泵不發(fā)生氣蝕；NPSHa=NPSHr時(shí)，離心泵開(kāi)始出現(xiàn)氣蝕；NPSHa＜NPSHr時(shí)，離心泵已經(jīng)氣蝕。

1.4 現(xiàn)場(chǎng)安裝

（1）同軸度及對(duì)中。同軸度需要離心泵機(jī)組所有的回轉(zhuǎn)零部件（如泵軸、軸承、聯(lián)軸器、電機(jī)軸等）都按廠家制造圖紙標(biāo)注的加工精度生產(chǎn)制造。在離心泵的安裝過(guò)程中，聯(lián)軸器對(duì)中必須滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。若聯(lián)軸器不對(duì)中，破壞了聯(lián)軸器轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的平衡狀態(tài)，離心泵運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，周期性的不平衡應(yīng)力就會(huì)作用在泵機(jī)組上，從而引起整個(gè)機(jī)組的振動(dòng)。

（2）配管設(shè)計(jì)安裝。作為一種旋轉(zhuǎn)設(shè)備，離心泵運(yùn)行時(shí)會(huì)產(chǎn)生一些不可避免的振動(dòng)。若泵進(jìn)出口管道安裝不好，那么振動(dòng)就會(huì)傳遞到管道上。配管設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量避免閥門及儀表的重力、變形應(yīng)力和裝配應(yīng)力等額外荷載作用在離心泵上，機(jī)組的墊鐵、管架、管托等支承部件應(yīng)切實(shí)起到支撐固定作用；對(duì)溫差變化大的工藝流程管系，建議考慮設(shè)置波紋管以消除管道熱應(yīng)力的影響。離心泵管道的設(shè)計(jì)應(yīng)符合以下要求：盡量減少不必要的彎頭數(shù)量，要有合理的管道支撐和盡量進(jìn)行無(wú)應(yīng)力管道連接。

（3）泵機(jī)組基礎(chǔ)。離心泵地腳螺栓通常預(yù)埋在混凝土基礎(chǔ)底座中，機(jī)組橇座安裝完成后進(jìn)行二次灌漿，使橇座和基礎(chǔ)底座形成一個(gè)整體。如果基礎(chǔ)的強(qiáng)度不夠，重量太輕或地腳螺栓固定不好，機(jī)組運(yùn)行時(shí)就容易出現(xiàn)振動(dòng)超標(biāo)現(xiàn)象；如果離心泵固有頻率與基礎(chǔ)振動(dòng)頻率形成共振，也會(huì)發(fā)生強(qiáng)烈振動(dòng)。

（4）泵入口管道清洗?，F(xiàn)場(chǎng)試運(yùn)時(shí)需對(duì)管道進(jìn)行吹掃，以保證管路系統(tǒng)滿足投產(chǎn)條件。但是有些項(xiàng)目在試運(yùn)初期沒(méi)有按照要求對(duì)管路進(jìn)行嚴(yán)格吹掃，管道內(nèi)流體較臟，容易產(chǎn)生氣蝕，同時(shí)伴隨有振動(dòng)，嚴(yán)重時(shí)離心泵不能正常工作。

2 消除振動(dòng)超標(biāo)的對(duì)策

2.1 核實(shí)泵本身的設(shè)計(jì)問(wèn)題

機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)和性能試驗(yàn)是離心泵檢驗(yàn)、驗(yàn)收中非常重要的試驗(yàn)。本項(xiàng)目的注水泵在出廠前已經(jīng)在國(guó)外最終業(yè)主和第三方監(jiān)理的見(jiàn)證下，嚴(yán)格按照按合同文件規(guī)定及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行了4 h額定流量、額定轉(zhuǎn)速下的機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)及性能試驗(yàn)。從出廠報(bào)告上可以初步判斷，該注水泵在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、泵軸強(qiáng)度、剛度等方面沒(méi)有問(wèn)題，排除了該泵本身設(shè)計(jì)制造方面的問(wèn)題。

2.2 檢查泵機(jī)組的同軸度和基礎(chǔ)

經(jīng)檢查，注水泵機(jī)組的同軸度在標(biāo)準(zhǔn)要求范圍內(nèi)，基礎(chǔ)固有頻率、振幅經(jīng)重新核算也沒(méi)有問(wèn)題，剛度、強(qiáng)度亦滿足要求，地腳螺栓無(wú)松動(dòng)，因此排除了機(jī)組同軸度不滿足要求、基礎(chǔ)不符合要求和地腳螺栓松動(dòng)等因素。

2.3 核算現(xiàn)場(chǎng)安裝問(wèn)題

（1）在工藝流程設(shè)計(jì)時(shí)，已經(jīng)充分考慮因入口壓力低而發(fā)生氣蝕的情況，在注水泵流程前已設(shè)置了喂水泵，增加了注水泵入口壓力，從而避免了有效氣蝕余量不足而導(dǎo)致發(fā)生氣蝕。泵加工制造完成后，若不改變泵內(nèi)部結(jié)構(gòu)，其必需氣蝕余量NPSHr是不變的。裝置的有效氣蝕余量NPSHa的計(jì)算公式為[4]：

式中：PA為喂水泵出口壓力，Pa；PV為介質(zhì)氣化壓力，Pa；ρ為介質(zhì)密度，kg/m3；g為重力加速度，取9.8 m/s2；Hg1為介質(zhì)提升高度，m；hA-S為吸入管路內(nèi)流動(dòng)能量損失，J/kg。

由式（1） 可知，注水泵的有效氣蝕余量NPSHa由喂水泵出口壓力PA、介質(zhì)的氣化壓力PV、注水泵相對(duì)喂水泵提升高度Hg1和管路內(nèi)流動(dòng)損失hA-S共同決定。當(dāng)裝置安裝后，注水泵相對(duì)喂水泵提升高度Hg1不變，且介質(zhì)物性基本不變，其汽化壓力 PV是定值，引起有效氣蝕余量降低的因素只有管路流動(dòng)損失hA-S。分析管路損失時(shí)，重點(diǎn)考慮閥門和過(guò)濾器的影響，在設(shè)備試運(yùn)行階段，可能會(huì)發(fā)生管道因吹掃不干凈而導(dǎo)致入口過(guò)濾器堵塞。打開(kāi)泵入口管道，發(fā)現(xiàn)管道內(nèi)較臟，而且在泵入口過(guò)濾器前發(fā)現(xiàn)一只手套。于是對(duì)管道嚴(yán)格按照操作程序進(jìn)行了清洗，并更換了過(guò)濾器濾芯。

（2） 拆掉注水泵進(jìn)出口法蘭的連接螺栓后，注水泵配對(duì)法蘭在管道應(yīng)力的作用下有較大串動(dòng)，無(wú)外力作用下連接螺栓不能自由通過(guò)注水泵本體法蘭和配對(duì)法蘭的螺栓孔；發(fā)現(xiàn)部分支架墊鐵與管道接觸嚴(yán)重不實(shí)，不能起到有效的固定支撐作用。管道安裝的殘余應(yīng)力也是導(dǎo)致注水泵試車運(yùn)行時(shí)進(jìn)出口管道出現(xiàn)振動(dòng)超標(biāo)的原因之一。

（3）為了核算共振問(wèn)題，分別對(duì)注水泵和管系進(jìn)行固有頻率的計(jì)算。離心泵激發(fā)頻率的計(jì)算公式如下[3]：

式中：fi為第i階激發(fā)頻率，Hz；Z為泵的葉片數(shù)；N為泵轉(zhuǎn)速，r/min。

在工程分析中，由于基波共振會(huì)產(chǎn)生最大振幅，因此通常取i=1。則：

管系的振動(dòng)模態(tài)分析結(jié)果見(jiàn)表1。比較離心泵固有激發(fā)頻率和表1所示管系的固有頻率，可以初步判斷該注水泵機(jī)組與管道不存在共振問(wèn)題。

表1 管系振動(dòng)模態(tài)分析結(jié)果

注水泵出口管道的公稱直徑為DN 50，其中兩個(gè)支撐的間距約為6 m，管道系統(tǒng)的長(zhǎng)徑比較大，剛性不足。管系振動(dòng)模擬結(jié)果如圖3所示。從圖3可以看出，立管兩個(gè)彎頭附近圓圈標(biāo)記位置的振幅較大，應(yīng)在該處施加相應(yīng)的約束，增加管系剛度，從而減小管系的振幅。應(yīng)選擇合適的約束形式，既要抗振，又不妨礙管道熱位移。

圖3 管系振動(dòng)模擬結(jié)果示意

（4）在注水泵出口10 m的管道上共有6個(gè)彎頭，出口DN50管道的第一個(gè)彎頭距離出口法蘭僅有180 mm。為了研究彎頭對(duì)流體的影響，利用流體仿真軟件Fluent對(duì)管道內(nèi)的流場(chǎng)進(jìn)行模擬分析，模擬結(jié)果如圖4所示。從圖4可以看出：管道內(nèi)流體在彎頭處產(chǎn)生壓力脈動(dòng)及流體流速的變化，從而產(chǎn)生激振力，激振力可能會(huì)激發(fā)閥門和管道產(chǎn)生振動(dòng)。

圖4 彎頭處壓力與速度流場(chǎng)云圖

從圖4可以看出兩個(gè)彎頭間距為管直徑的5倍時(shí)，經(jīng)過(guò)彎頭處產(chǎn)生的紊流基本消失，但是應(yīng)嚴(yán)格控制間距不能小于3倍管道直徑，否則流體一直呈紊流狀態(tài)，而且紊流程度不斷累加，流體激振加劇。在配管設(shè)計(jì)時(shí)需綜合考慮管道熱應(yīng)力和流體沖擊影響，盡量減少?gòu)濐^數(shù)量。為了減小泵進(jìn)出口處的壓力脈動(dòng)，管路直徑宜分別比泵進(jìn)出口管徑大一個(gè)規(guī)格，從而改善流體流態(tài)。

根據(jù)模態(tài)分析結(jié)果，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，制訂了以下改造方案：在合理的位置增加固定約束，同時(shí)調(diào)整支架墊鐵，確保墊鐵與管道和支架良好接觸。改造后的管道約束見(jiàn)圖5。

2.4 泵操作區(qū)間

從該注水泵的性能曲線得知：泵的最小穩(wěn)定流量為21 m3/h，現(xiàn)場(chǎng)試車時(shí)注水泵出口的注水管道還未全部施工完，試車時(shí)采用全部打回流的方式，由于回流管道調(diào)壓閥的設(shè)計(jì)流量?jī)H為11 m3/h，導(dǎo)致注水泵現(xiàn)場(chǎng)試車時(shí)最大流量?jī)H為11 m3/h，遠(yuǎn)低于最小穩(wěn)定流量值。流量不足，流體會(huì)從葉輪中倒流出來(lái)，又從靠近葉輪輪轂處重新回到葉輪內(nèi)，產(chǎn)生入口回流?；亓鲿?huì)擾亂入口流場(chǎng)，造成水力波動(dòng)，從而會(huì)導(dǎo)致泵振動(dòng)超標(biāo)和管道劇烈振動(dòng)。按照API 610的要求，離心泵運(yùn)行時(shí)應(yīng)處于泵的優(yōu)先工作區(qū)，在該區(qū)域內(nèi)，泵的振動(dòng)值處于API 610的基本限度內(nèi)。該工作區(qū)位于離心泵最佳效率點(diǎn)流量的70%～120%區(qū)間內(nèi)。

圖5 管道支架整改后實(shí)物

2.5 整改后試車

待注水管網(wǎng)施工完成后，重新檢查了整個(gè)工藝流程，對(duì)管道進(jìn)行充水排氣，嚴(yán)格按照正常操作流程試車，將泵的實(shí)際流量提高到額定值運(yùn)行。改造后的注水泵穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)各點(diǎn)振動(dòng)幅值都在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定范圍內(nèi)，管道振動(dòng)基本消除，達(dá)到了預(yù)期的改造效果，泵及管道振動(dòng)問(wèn)題的解決有力保證了該工程注水系統(tǒng)的正常投產(chǎn)。在今后的生產(chǎn)運(yùn)行中，應(yīng)該確保工藝操作得當(dāng)，使注水泵處于優(yōu)先工作區(qū)內(nèi)運(yùn)行，現(xiàn)場(chǎng)施工安裝應(yīng)嚴(yán)格按照規(guī)范要求進(jìn)行。

3 結(jié)論

（1）引起多級(jí)離心泵機(jī)組振動(dòng)的原因往往是多方面的，與離心泵設(shè)計(jì)選型、機(jī)組安裝、操作運(yùn)行及后期維護(hù)保養(yǎng)等都存在較大關(guān)系。因此在設(shè)計(jì)制造、安裝施工、操作試車等方面都需要進(jìn)行嚴(yán)格控制，出現(xiàn)問(wèn)題后要有步驟地逐個(gè)排查，找到造成振動(dòng)的最終原因，并制訂有效的整改措施。

（2）配管設(shè)計(jì)時(shí)，管道敷設(shè)應(yīng)盡量順直，在滿足熱脹要求的同時(shí)，盡量減少管道變向。由于壓力脈動(dòng)，激振力主要產(chǎn)生在管道各個(gè)轉(zhuǎn)彎、截面變化處，彎頭閥門等荷載集中的地方容易引起振動(dòng)，應(yīng)考慮設(shè)計(jì)支架，必要時(shí)管道可裝熱補(bǔ)償器以消除管系熱應(yīng)力。

（3）定期對(duì)機(jī)組進(jìn)行檢查保養(yǎng)，使軸承等潤(rùn)滑部件潤(rùn)滑良好，溫度、振動(dòng)、液位等檢測(cè)儀表工作應(yīng)正常，及時(shí)清除出現(xiàn)在離心泵和管路系統(tǒng)內(nèi)的雜質(zhì)、異物，定時(shí)更換新過(guò)濾元件，確保管路系統(tǒng)暢通。

（4）這種小流量、高揚(yáng)程、高轉(zhuǎn)速和大功率的注水泵在運(yùn)行時(shí)，若發(fā)生流量低于規(guī)定的最小流量，則泵會(huì)出現(xiàn)較大異常，甚至故障停機(jī)。建議采取如下兩種方式：第一，泵上設(shè)置最小流量線，當(dāng)流量低于規(guī)定的最小流量時(shí)，打開(kāi)回流管道閥門補(bǔ)液，保證泵運(yùn)行在允許工作區(qū)，或優(yōu)先工作區(qū)；第二，推薦泵采用變速調(diào)節(jié)，通過(guò)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速+出口閥門開(kāi)度來(lái)調(diào)節(jié)泵的流量和揚(yáng)程，轉(zhuǎn)速降低后，小流量時(shí)既可以保證泵的揚(yáng)程，又可以改善泵腔內(nèi)的流場(chǎng)狀態(tài)，離心泵的振動(dòng)、噪聲和能耗都會(huì)隨之降低，還能節(jié)省用電成本。